Armazenamento de Energia Térmica

A necessidade de aumentar a dependência de energia renovável aparece regularmente enquanto tentamos combater as mudanças climáticas. O acordo mais recente da COP28 deixou isso claro, pedindo o triplicamento da capacidade de energia renovável e o dobramento das melhorias de eficiência energética até 2030. É uma ambição ousada, mas necessária para chegar perto de alcançar os objetivos de emissão zero no prazo necessário.

Um tema frequentemente negligenciado é como gerenciar melhor a imprevisibilidade do fornecimento de energia renovável. E, quando discutido, frequentemente foca em questões de alto nível, como distribuição em rede e fornecimento de energia nacional. No entanto, pode levar até 15 anos para que expansões nas redes de transmissão e distribuição de eletricidade entrem em vigor. Com a necessidade de ação imediata para limitar o impacto das mudanças climáticas, há uma necessidade urgente de olhar além da geração de energia centralizada e em direção à geração de calor localizada.

Os picos e vales no fornecimento de recursos eólicos e solares, e o aumento considerável na demanda à medida que o calor é eletrificado significam que faz sentido olhar para oportunidades de novas sinergias entre os setores de energia e calor.

O armazenamento de energia térmica (TES) e outras formas de armazenamento de energia de longa duração (LDES) são duas avenidas promissoras para maximizar o potencial de uma situação em evolução.

A necessidade de adotar métodos de TES enquanto continuamos a jornada rumo a um futuro mais sustentável é clara. E, à medida que as tecnologias evoluem para atender a essa demanda, vale considerar o impacto mais amplo que essas opções podem ter em nosso meio ambiente, além de fatores como custos de capital, eficiência e produção de energia. Aqui olhamos para duas alternativas e consideramos algumas dessas questões.

Hoje as formas mais comuns de armazenamento de energia para calor são armazenamento térmico via armazenamento de calor sensível e latente usando materiais de mudança de fase (PCMs) e armazenamento termoquímico. As opções de armazenamento eletroquímico são divididas em duas categorias; capacitores e baterias. Embora os capacitores ofereçam maiores eficiências e vida útil aumentada em comparação com as baterias, eles carregam muito menos carga por unidade por massa em comparação.

As baterias também têm sido objeto de muita pesquisa sobre seu uso em sistemas de armazenamento de energia, incluindo integração com sistemas de tecnologia renovável. As baterias de Fosfato de Ferro-Lítio (LIPB) têm sido o foco de vários estudos avaliando seu uso, como em parques eólicos para armazenar energia para uso quando o vento não está soprando. Sua eficiência melhora drasticamente quando mais de uma baterias é usada, permitindo ciclos completos de carga e descarga. Outros artigos focaram em melhorar sua eficiência, por exemplo controlando sua temperatura de operação usando tapetes térmicos, ou analisaram seu impacto no meio ambiente através de avaliações de ciclo de vida (LCA).

Na Spirax Sarco, juntamente com colegas da Chromalox, desenvolvemos uma forma inovadora de TES: a SteamBattery. Ela armazena calor gerado por um aquecedor elétrico imerso como água quente de alta pressão em um vaso bem isolado.

Quando o vapor é necessário da SteamBattery, ele é retirado do espaço de folga (gás) do vaso, e é usado diretamente como vapor ou indiretamente por meio de um trocador de calor para se conectar a um sistema de aquecimento “úmido”. O vapor condensado é retornado ao vaso. À medida que o vapor é usado, a pressão diminui até que a SteamBattery esteja totalmente descarregada. Ela é recarregada pelo aquecedor elétrico imerso, que é capaz de usar eletricidade de fontes renováveis diretas ou da rede quando energia renovável de baixo custo está disponível. Ela pode tanto descarregar vapor quanto ser carregada simultaneamente, dando flexibilidade em como é empregada, e como armazenamento em buffer. Capaz de carregar completamente dentro de 8 horas, é capaz de fazê-lo durante a noite.

Usando a literatura atual sobre LIPBs juntamente com nosso modelo, e estudos existentes para a SteamBattery, tivemos como objetivo comparar o impacto ambiental dessas duas soluções de armazenamento de energia. Houve algumas limitações, devido aos limites estabelecidos pelos estudos de LIPB; notavelmente uma abordagem do berço ao portão que não considera nem seu transporte nem sua disposição no fim da vida útil.

Uma vez que o limite do sistema foi estabelecido, uma variedade de impactos ambientais comparativos pôde ser avaliada. Devido a diferenças nos modelos usados entre o estudo de LIPB e o da SteamBattery, constatamos que 10 dos 18 no estudo de LIPB ofereciam uma comparação direta.

Esses são os mais relevantes para o impacto das mudanças climáticas, e são medidos em kg de equivalência de dióxido de carbono. Os resultados mostram que a SteamBattery emitiria 8,58 kg/1000 kWh de energia armazenada ao longo de sua vida útil, enquanto a LIPB emitiu 16,10/1000 kWh ao longo de sua vida útil. Efetivamente, a SteamBattery tem metade das emissões de CO2 da LIPB ao longo de sua vida útil.

Examinamos seis categorias de impacto ambiental, incluindo aquelas que cobrem ecotoxicidade e eutrofização em ambientes marinhos e de água doce, além de acidificação e ecotoxicidade em ambientes terrestres. Para ambientes de água doce e marinhos, a SteamBattery foi encontrada como 95% menos impactante em comparação com a LIPB. Isso foi amplamente justificado pelo processo de fabricação da placa catódica necessária para a LIPB.

Ao olhar para os impactos terrestres, um quadro diferente emerge. A produção de dióxido de enxofre da SteamBattery foi 83% menor do que a LIPB. No entanto, seu equivalente de diclorobenzeno foi maior do que o da LIPB. Um exame mais detalhado, considerando as cargas de impacto de ambos os produtos nas diferentes categorias ambientais, concluiu que esta era uma área para melhoria potencial em vez de uma falha grave.

A avaliação destacou ainda o impacto reduzido da SteamBattery nos recursos naturais, como combustíveis fósseis e água. Notavelmente, as cargas ambientais mais altas estavam predominantemente associadas à LIPB, particularmente em ecotoxicidade marinha e de água doce, enquanto o impacto mais significativo da SteamBattery foi consideravelmente menor em ecotoxicidade terrestre.

À medida que a necessidade de sistemas de vapor sustentáveis cresce, há um imperativo claro para considerar mais do que simplesmente evitar combustíveis fósseis. A resiliência e o futuro do planeta dependem de uma série de outros fatores, com considerações ambientais no topo da lista. Este estudo inicial mostra que uma pesquisa mais holística de opções potenciais deve sempre ser considerada antes que as decisões finais sejam tomadas.

Fonte:

Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara:(Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).